철-공기 배터리 설명: 녹 배터리 혁명

주요 내용

문제: 리튬 이온은 4시간 동안 훌륭하지만 바람이 멈출 때(“dunkelflaute”) 100시간의 백업이 필요합니다.
해결책: 철공기 배터리(Form Energy의 배터리와 유사)는 부식 과정을 사용하여 막대한 양의 전력을 저장합니다.
경제적 측면: 무겁고 느리지만 리튬 이온보다 10배 저렴하므로 태양광 발전 및 풍력 발전소의 완벽한 파트너입니다.

빠른 전기 자동차를 만들고 싶다면 리튬 이온을 사용하세요. 가볍고 전력 밀도가 높으며 빠르게 충전됩니다.

그러나 겨울 폭풍이 태양광 패널을 뒤덮고 풍력 터빈이 돌아가는 상황에서 일주일 동안 도시를 운영하고 싶다면 리튬 이온은 파산할 정도로 비쌉니다.

“러스트 배터리”를 입력하세요.

세탁기 크기 정도네요. 엄청나게 무겁습니다. 천천히 충전됩니다. 그리고 그것은 지난 10년 동안 가장 중요한 에너지 발명일 수도 있습니다.

화학: 가역적 녹슬림

Form Energy(전 Tesla 임원 Mateo Jaramillo가 설립)와 같은 회사에서 개척한 핵심 기술은 지구상에서 가장 일반적인 화학 반응 중 하나인 산화에 의존합니다.

배터리가 숨을 쉰다.

방전(“녹” 단계)

배터리가 전력을 공급해야 할 때, 공기로부터 산소를 흡수하여 배터리 내부의 철 양극과 반응하게 합니다.

반응: 철 + 산소 = 녹(산화철) + 에너지.
이 녹슬는 과정에서 방출된 전자는 그리드로 흘러나갑니다.

충전(“녹슬지 않는” 단계)

그리드에 태양광이나 풍력 발전이 과잉되면 배터리는 그 전기를 사용하여 반응을 반전시킵니다.

반응: 녹 + 전기 = 철 + 산소.
문자 그대로 녹을 금속 철로 바꾸어 산소를 다시 공기 중으로 방출합니다.

엔지니어링 과제: 단순한 녹이 아닙니다

화학은 간단하지만(초등학교 과학), 신뢰할 수 있는 산업용 배터리를 만드는 것은 엄청나게 어렵습니다.

전해질 문제

배터리는 수성 액체 전해질(수산화칼륨)로 채워져 있습니다. 이로 인해 여러 가지 엔지니어링 문제가 발생합니다.

수소 진화: 때로는 물이 녹슬지 않고 수소 가스로 분해되는 경우도 있습니다. 이것은 나쁘다. 이는 에너지를 낭비하고 국부적인 폭발 위험을 야기합니다. Form Energy는 이러한 부반응을 억제하기 위해 특수 촉매를 개발해야 했습니다.
물 관리: 배터리는 공기를 “호흡”하지만 물을 잃을 수는 없습니다. 애리조나와 같은 더운 기후에서는 증발이 치명적입니다. 추운 기후(첫 번째 조종사가 있는 미네소타)에서는 결빙이 위험합니다. 열 관리 시스템은 너무 많은 기생 전력을 소비하지 않고 이러한 극한 상황을 처리할 수 있을 만큼 견고해야 합니다.

“공기 호흡” 막

음극은 산소를 유입해야 하지만 전해질 액체는 유입되지 않도록 해야 합니다. 마치 첨단 고어텍스와 같습니다. 이 멤브레인이 먼지로 막히거나 10년 이상 성능이 저하되면 배터리가 수명을 다합니다. Form의 획기적인 발전은 값비싼 백금 촉매가 필요하지 않은 저렴하고 내구성이 뛰어난 공기 전극을 만드는 것이었습니다.

경제성: $20/kWh 대 $130/kWh

마법은 화학이 아닙니다. 그것은 비용입니다.

리튬 이온: kWh당 ~$130. 코발트, 니켈, 리튬이 필요합니다(비싸고 공급이 제한됨).
철공기: kWh당 ~$20. 철분(흙값이 싸고 풍부함)과 공기(무료)가 필요합니다.

재료가 매우 저렴하기 때문에 원자재 비용에 대한 걱정 없이 이러한 배터리로 대규모 뱅크를 구축할 수 있습니다. **장기 에너지 저장 장치(LDES)**가 잠금 해제됩니다.

100시간 수학: LCOS 설명

유틸리티 회사는 배터리를 구입할 때 초기 가격표를 보지 않습니다. 그들은 **LCOS(균등화된 저장 비용)**를 살펴봅니다. 이는 배터리 수명 동안 1메가와트시를 저장하고 방출하는 데 드는 총 비용입니다.

리튬 이온: 짧은 버스트에 적합합니다(주파수 조절, 피크 감소). 하지만 100시간으로 늘리려면 25배 더 많은 배터리가 필요합니다. 비용 곡선은 선형적이고 고통스럽습니다.
철-공기: “전력” 구성 요소(전자를 이동시키는 전자 장치)와 “에너지” 구성 요소(철 알갱이)가 분리됩니다. 지속 시간을 두 배로 늘리려면 값비싼 전자 제품이 아닌 값싼 철 알갱이를 더 추가하면 됩니다.

100시간 지속 시 Form Energy의 LCOS는 리튬 이온의 약 1/10로 떨어집니다. 다른 배터리가 아닌 복합 사이클 천연가스 플랜트와 직접 경쟁합니다.

대규모 제조: 웨스트 버지니아 도박

Form Energy는 단순한 실험실 실험이 아닙니다. 그들은 현재 웨스트버지니아주 Weirton에 “Form Factory 1”을 건설하고 있습니다.

왜 Weirton인가? 예전에 철강도시였죠. 상징주의는 의도적이다. 강철을 만드는 데 한 세기를 보낸 동일한 인력이 이제 철을 사용하여 배터리를 만들기 위해 고용되고 있습니다.

생산능력: 공장은 연간 500MW/50GWh의 배터리 생산을 목표로 하고 있습니다.
영향: 클린룸에서 제작된 섬세한 마이크로칩이 아닙니다. 그들은 중공업 장비입니다. Rust Belt를 활성화하여 “Rust Battery”를 건설하는 것은 초당적 지지를 확보한 정치적 걸작입니다.

지정학적 각도: 철 대 리튬

에너지 안보는 국가 안보이다. 현재 배터리 공급망은 지정학적 지뢰밭이다.

리튬: 채굴은 호주와 칠레에 집중되어 있습니다. 가공은 60% 이상 중국이 통제합니다.
코발트: 콩고(DRC)는 엄청난 윤리적 및 안정성 문제로 공급을 장악하고 있습니다.
철: 그것은 어디에나 있습니다. 지구상에서 가장 많이 채굴된 금속입니다. 미네소타만으로도 미국 전체 전력망에 사용할 배터리를 만들 수 있을 만큼 충분한 철광석이 있습니다.

미국은 그리드 스토리지를 Iron-Air로 전환함으로써 중요한 인프라를 외국 공급망으로부터 분리합니다. 무역 전쟁으로 인해 리튬 수입이 중단되더라도 배터리 재료가 중서부 지역에서 채굴되기 때문에 불은 계속 켜져 있습니다.

환경적 이익(및 비용)

“녹”은 더러운 것처럼 들리지만 재료는 무해합니다.

재활용성: 20년 수명이 끝나면 배터리는 본질적으로 고철 더미가 됩니다. 전기로에 던져넣고 100% 효율로 재활용할 수 있습니다.
화재 위험 없음: 소화가 거의 불가능한 자체 지속형 화학 화재를 일으키는 리튬 이온과 달리 Iron-Air 배터리는 사실상 불연성입니다. 전해질은 수성입니다. 총으로 쏘면 젖은 녹이 새어 나올 것입니다.

경쟁자

현재 PR 전쟁에서 승리하고 있지만 LDES 경주에서는 폼만이 유일한 것이 아닙니다.

Ambri: MIT의 Donald Sadoway가 설립한 이 회사는 “액체 금속” 배터리(칼슘 및 안티몬)를 사용합니다. 이 제품은 고온(500°C)에서 작동하므로 효율성이 높지만 봉쇄 문제가 있습니다.
EOS 에너지: 아연-할로겐화물 화학을 사용합니다. 이미 공개되어 배송되고 있지만 기간 목표가 더 짧기 때문에(3~12시간) Lithium과 Iron-Air 사이의 가교 역할을 합니다.
유동 배터리(ESS Inc): 탱크를 통해 펌핑되는 액체 전해질(철 및 바닷물 등)을 사용합니다. 확장에는 적합하지만 일반적으로 복잡한 배관 메커니즘으로 인해 어려움을 겪습니다.

“덩켈플라우트” 해결

독일 에너지 엔지니어들은 악몽 같은 시나리오에 대해 Dunkelflaute(어두운 침체)라는 표현을 사용합니다. 해도 없고 바람도 없는 며칠의 기간이다.

리튬 이온 배터리 설정은 일반적으로 4시간의 백업을 제공합니다. 그것은 저녁 피크를 포함하지만 3일간의 눈보라 동안에는 도움이 되지 않습니다.

Form Energy의 배터리는 100시간 보관용으로 설계되었습니다. 꼬박 4일이군요. 이를 통해 유틸리티 회사는 1년에 몇 주만 가동되는 천연가스 “피커” 플랜트를 폐기하고 이를 유지 관리 비용의 일부에 해당하는 신뢰할 수 있고 배출이 없는 백업으로 교체할 수 있습니다.

다음은 무엇입니까?

최초의 대규모 파일럿 프로젝트가 현재 미네소타(Xcel Energy) 및 조지아와 같은 곳에서 착공되고 있습니다.

Rust 배터리는 휴대폰이나 자동차에 전원을 공급하지 못할 가능성이 높습니다. 너무 무겁기 때문입니다. 하지만 다음번에 일주일 동안 폭풍우가 몰아치는 동안 조명이 켜져 있으면 감사할 만한 녹슨 금속 더미가 생길 수도 있습니다.

출처 (3)

formenergy.com Form Energy Technology
utilitydive.com 100-Hour Storage
technologyreview.com MIT Technology Review: Iron-Air Batteries

이 기사는 Trendy Tech Tribe 편집팀이 작성했습니다.

녹 배터리: 철-공기 기술이 100시간 그리드를 여는 방법

주요 내용